(57)【要約】【課題】ミリ波共振器基板上にガンダイオード素子を搭載したミリ波発振器においては、ガンダイオードを構成する半導体基板の放熱性が悪く、動作中にガンダイオード活性層の温度が上昇してしまうため、ミリ波出力が著しく低下してしまう。【解決手段】誘電体基板２の上面に金属層から成る共振器（信号電極３および接地電極４）が形成された共振器基板上に、薄膜半導体の第１のｎ＋型層，ｎ型層および第２のｎ＋型層を順次積層して成るガンダイオード素子１を搭載して成り、ガンダイオード素子１の直下の誘電体基板２に、垂直方向へ貫通するように、誘電体基板２よりも高い熱伝導率の高抵抗領域８を形成したミリ波発振器である。高抵抗領域８により駆動時におけるガンダイオード素子１の昇温が抑えられ、安定な動作が可能となり、ミリ波出力強度を安定化することができる。【選択図】  図１
2005019570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板の上面に金属層から成る共振器が形成され、該共振器の直下から下面にかけて前記誘電体基板よりも熱伝導率が高い高抵抗領域が形成された共振器基板の前記共振器の前記高抵抗領域上に位置する部位上に、薄膜半導体の第１のｎ＋型層，ｎ型層および第２のｎ＋型層を順次積層して成るガンダイオード素子を搭載して成ることを特徴とするミリ波発振器。
【請求項２】
複数の前記ガンダイオード素子を前記部位上に搭載したことを特徴とする請求項１記載のミリ波発振器。
【請求項３】
前記部位上に前記ガンダイオード素子が低融点金属接合材を介して接合されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のミリ波発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば衛星通信や地上での極短距離通信、あるいは車載用の追突防止レーダ装置に用いられるミリ波発信器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のミリ波発振器は、例えば図２（ａ）に一部を透視した上面図で、図２（ｂ）にそのＢ−Ｂ’線断面図で示すように、半導体基板上に第１の半導体層（図示せず），ガンダイオード活性層（図示せず）および第２の半導体層（図示せず）が順に積層されて作製されたガンダイオード１０１を、信号電極１０３および一対の接地電極１０４を形成し、ミリ波共振器が形成された半絶縁性の平板基板１０２上に、導体バンプ１０５および１０６を介してフリップチップボンディングすることによって実装するといった構成のものとして作製されていた（例えば、特許文献１，２参照。）。
【０００３】
このような構成の従来のミリ波発振器によれば、ガンダイオード１０１をフェースダウン姿勢にして、導体バンプ１０５および１０６を信号電極１０３および接地電極１０４に直接接続しており、ガンダイオード１０１と信号電極１０３および接地電極１０４との接続に金リボンを使用しないので、金リボンによる接続に起因して発生していた寄生インダクタンスの発生がなくなり、特性のばらつきの少ないミリ波発振器を実現することが可能になるというものである。
【０００４】
一方、レーザダイオードのような駆動時に高温となる半導体素子を搭載する基板は、発生する熱を効率よく逃がし、半導体素子の温度上昇を抑制するため、構造面で工夫がなされてきた。例えば、フリップチップ実装する誘電体基板の内部構造において、誘電体基板を垂直に貫通して形成された熱伝導性の高い垂直熱伝導体、いわゆるサーマルビアを設けることが提案されている（例えば、特許文献３を参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１８５７８２号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２００２−１３４８０８号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開２００２−１６１７０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２に示したような従来のミリ波発振器においては、ガンダイオード１０１を構成する半導体基板の放熱性が悪く、動作中にガンダイオード活性層の温度が１３０℃程度にまで上昇してしまうという問題点があった。これは、ガンダイオード１０１に発生する熱の一部は、導体バンプ１０５および１０６を介してヒートシンクとしても機能する平板基板１０２に放散され、その他のものは半導体基板に伝達し空気中へ放散されるが、平板基板１０２と半導体基板内での熱伝導が低いことによるものである。
【０００９】
一方、従来のサーマルビアを有する実装基板を採用しようとしても、半導体素子の表面に複数の電極が配置され、これらの電極を誘電体基板の表面に形成された接続パッドと直接接続するフリップチップ実装の場合は、熱伝導性の優れた金属をサーマルビアの材料に用いるため、誘電体基板の裏面にカソードあるいはアノード電極の片方の役割を兼ねた金属放熱体（ヒートシンク）を設けることによって、カソードおよびアノード両電極が、サーマルビアおよび金属放熱体を介して電気的に接続されて短絡してしまうことになるので、ガンダイオードの直下にサーマルビアを設けることができないという問題点があった。
【００１０】
これに対し、短絡が生じないようにガンダイオードが実装されている領域外にサーマルビアを形成したときには、効率的にヒートシンクへと熱を伝導させることができず、ガンダイオードの温度を十分に下げることができないという問題点があった。特に、ガンダイオードはガンダイオード活性層を中心に温度が上昇するため、ガンダイオードを搭載した領域以外の領域にサーマルビアを用いても、ガンダイオードの温度上昇を抑制する効果は小さい。
【００１１】
そして、このようにガンダイオード活性層の温度が１３０℃程度にまで上昇すると、図３にガンダイオード活性層の温度Ｔ（単位：Ｋ）を横軸に、電子の移動度μＨｎ（単位：ｃｍ２／Ｖ・ｓ）を縦軸にとった線図で示すように、ガンダイオード活性層の内部における電子のドリフト速度が１０４ｃｍ２／Ｖ・ｓ以下にまで著しく減少する。その結果、発振周波数は電子のドリフト速度に比例するため、発振可能な周波数帯域のうち最も発振出力が大きくなる中心周波数が低周波数側へ移動する。従って、外部に共振器構造があり発振周波数が固定されている場合には、共振器によって決められる周波数とガンダイオードの中心周波数とがずれていくことで、ミリ波出力が著しく低下してしまうという問題点があった。また、発振出力を一定にするには、注入電力を増加させる必要があるが、その場合には、発熱量がさらに大きくなり、ガンダイオード１０１が破壊することがあるという問題点もあった。
【００１２】
本発明は上記問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、ガンダイオードで動作中に発生した熱を、ミリ波共振器が形成された基板を通して基板の裏面に設けられた放熱体等の外部へ良好に伝熱して放熱することができ、ガンダイオード活性層の温度上昇を抑制してミリ波出力の強度を安定させることができ、しかもミリ波変換効率が高く高出力であるため注入電力を低く抑えることができ、その結果、ガンダイオード素子の結晶に欠陥発生を抑制できる、長期間動作の信頼性も高いミリ波発振器を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、ガンダイオード素子を薄膜半導体を積層して成る、放熱性の良くない半導体基板から分離されたものとして、これを放熱性の良い、ミリ波共振器が形成された基板へ搭載することによって、薄膜半導体から成るガンダイオード活性層の温度上昇を良好に抑制することができ、ミリ波出力の安定化および高出力化を行なうことが可能となり、さらにはガンダイオードの長期間の動作について高信頼性が得られることを知見した。また、このガンダイオード素子の直下に位置する領域に基板を垂直方向に貫通するように基板よりも高熱伝導性の高抵抗領域を形成し、これを介して基板の下面へ、あるいはその下面に設けられた放熱性に優れた放熱体へ熱を伝導させることによって、薄膜半導体から成るガンダイオード素子のガンダイオード活性層の温度上昇を良好に抑制することができ、ミリ波出力の安定化および高出力化を行なうことが可能となり、さらにはガンダイオードの長期間の動作について高信頼性が得られることを知見し、本発明を完成するに至った。
【００１４】
本発明のミリ波発振器は、誘電体基板の上面に金属層から成る共振器が形成され、この共振器の直下から下面にかけて前記誘電体基板よりも熱伝導率が高い高抵抗領域が形成された共振器基板の前記共振器の前記高抵抗領域上に位置する部位上に、薄膜半導体の第１のｎ＋型層，ｎ型層および第２のｎ＋型層を順次積層して成るガンダイオード素子を搭載して成ることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明のミリ波発振器によれば、以上のような構成により、共振器基板の上面の共振器上に搭載された薄膜半導体から成るガンダイオード素子の直下に、誘電体基板を垂直方向に貫通するように形成された、誘電体基板よりも熱伝導率が高く、かつ導電性ではない高抵抗領域がサーマルビアとして機能することから、ガンダイオード素子が駆動時に発生する熱は、この高抵抗領域を介して誘電体基板の下面へ良好に伝達させることができるので、ガンダイオード活性層であるｎ型層の温度上昇を良好に抑制することができてミリ波出力の安定化および高出力化を行なうことが可能となり、ガンダイオード素子の発振周波数の安定性について高い信頼性を得ることができる。さらに、サーマルビアとして機能する高抵抗領域には高抵抗材料を用いており、導電性ではないので、従来のように共振器と同じ導体材料で形成するサーマルビアの場合と比べて素子の短絡といった問題はなく、また発振出力の損失が少ないので、ミリ波出力の安定化および高出力化を良好に行なうことが可能となる。
【００１６】
また、本発明のミリ波発振器は、上記構成において、複数の前記ガンダイオード素子を前記部位上に搭載したことを特徴とするものである。
【００１７】
本発明のミリ波発振器によれば、複数のガンダイオード素子を共振器の高抵抗領域上に位置する部位上に搭載したときには、各ガンダイオード素子について高周波発振特性において信号のノイズを無視できる程度に軽減することができるとともに、発振特性においてそれぞれのガンダイオード素子が自然に同調するので、ミリ波発振器としてのミリ波出力を効率よく向上させることができる。また、搭載面積が大きな単独のガンダイオード素子を用いる場合と比較すると、複数のガンダイオード素子を物理的に離して配置したものの方が温度上昇をより効果的に抑制することができ、ミリ波出力を安定させることができる。
【００１８】
また、本発明のミリ波発振器は、上記構成において、前記部位上に前記ガンダイオード素子が低融点金属接合材を介して接合されていることを特徴とするものである。
【００１９】
本発明のミリ波発振器によれば、共振器の高抵抗領域上に位置する部位上にガンダイオード素子が低融点金属接合材を介して接合されているときには、低融点金属接合材を介してガンダイオード素子の全面が電気的に良好に、また共振器基板への放熱性も良好な状態で共振器に接合されるので、放熱性を向上させることができ、安定したミリ波出力を得ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のミリ波発振器について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２１】
図１（ａ）は本発明のミリ波発振器の実施の形態の一例を示す上面図であり、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【００２２】
図１において、１は薄膜半導体の第１のｎ＋型層（図示せず），ｎ型層（図示せず）および第２のｎ＋型層（図示せず）を順次積層して成るガンダイオード素子、２は誘電体基板である。３は誘電体基板２の上面に形成された金属層から成るオープンスタブ共振器としての信号電極、４は誘電体基板２の上面に形成された金属層から成る接地電極である。この例では、接地電極４は信号電極３の両側に一対形成されている。
【００２３】
また、５は絶縁膜、６は配線層であり、これらによってガンダイオード素子１がそれぞれ電気的に独立した状態で接地電極４と電気的に接続されて、各ガンダイオード素子１に電気信号が印加できるようになっている。
【００２４】
そして、７はチョーク構造のバイアス端子、８は誘電体基板２よりも熱伝導体が高い、サーマルビアとして機能する高抵抗領域であり、この例においては、この高抵抗領域８の下端は誘電体基板２の下面に配設された金属から成る放熱体９と接続されている。１０はＲＦ出力の線路である。
【００２５】
この高抵抗領域８は、高熱伝導性を有することに加え、高抵抗性を有しているものであり、これにより、信号電極３と高抵抗領域８と放熱体９とが同電位となって高抵抗領域８の方向にミリ波成分が損失するようなことがないものとなる。このような高抵抗領域８は、誘電体基板２と誘電率および誘電損失が異なるため、その大きさは、それら電気特性等において、ガンダイオード素子１に悪影響を及ぼさない程度の直径がおよそ３００μｍ以下の大きさに設定される。
【００２６】
また、絶縁膜５によってガンダイオード素子１がそれぞれ電気的に独立した状態で接地電極４と信号電極３に電気的に接続されて、各ガンダイオード素子１に電気信号が印加できるようになっており、以上により本発明のミリ波発振器が構成されている。
【００２７】
このような図１に示す例の本発明のミリ波発振器においては、薄膜半導体から成るガンダイオード素子１のみが共振器の信号電極３の高抵抗領域８上に位置する部位上に配置されているので、ガンダイオード素子１から熱を効率的に誘電体基板２の下面に、さらにその下面の放熱体９に伝熱させることができ、ガンダイオード素子１の温度上昇を効率よく抑制することができる。さらに、発振特性において、信号電極３上に配置された複数のガンダイオード素子１がそれぞれ自然に同調するので、ミリ波出力を向上させることができる。
【００２８】
本発明のミリ波発振器におけるガンダイオード素子１は、例えば５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの発振周波数を有するミリ波発振素子であり、薄膜半導体の第１のｎ＋型層，薄膜半導体のｎ型層および薄膜半導体の第２のｎ＋型層を順次積層することによって形成されている。これら薄膜半導体としては、ＧａＮ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ等が用いられる。また、このような薄膜半導体から成る第１のｎ＋型層，ｎ型層および第２のｎ＋型層を順次積層するには、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって薄膜半導体の結晶成長を行ない、その際に不純物濃度については、マスフローコントローラによる原料ガス流量の高精度な制御によって調整すればよい。また、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いる場合には、薄膜半導体の原料坩堝を加熱して分子線を発生させ、その分子線を高温に保持された単結晶基板上に照射することによって薄膜単結晶半導体が形成される。その際には不純物濃度については、不純物材料が保持された坩堝を高精度に温度制御して決められた分量の不純物分子線を結晶成長中に同時に基板に照射することによって調整すればよい。
【００２９】
図４に、本発明のミリ波発振器におけるガンダイオード素子１の層構成の例を断面図で示す。図４において、１ａは薄膜半導体から成る第１のｎ＋型層（例えばｎ＋型ＧａＡｓコンタクト層）であり、１ｂは薄膜半導体から成るｎ型層（例えばｎ型ＧａＡｓ活性層）、１ｃは薄膜半導体から成る第２のｎ＋型層（例えばｎ＋型ＧａＡｓコンタクト層）であり、これらが順次積層されてガンダイオード素子１が形成されている。また、４１は単結晶半導体基板であり、４２は選択除去層である。この選択除去層４２は、この層をエッチングすることにより単結晶半導体基板４１とガンダイオード素子１とを分離するために用いられる層である。
【００３０】
このような図４に示す例のガンダイオード素子１では、ガンダイオード素子１を共振器基板に貼り合せた後、単結晶半導体基板４１をガンダイオード素子１から分離する際に、選択除去層４２のみを選択的にエッチングによって除去できるので、ガンダイオード素子１に物理的，化学的，熱的なダメージを与えることがなく、結晶品質が良好なガンダイオード素子１の作製が可能である。さらに、単結晶半導体基板４１も繰り返し使用することが可能である。
【００３１】
本発明のミリ波発振器における誘電体基板２は、表面の平坦性を有するとともに、高い放熱性が望ましい。この誘電体基板２は、周知のセラミック絶縁材料によって形成することができ、例えば、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウム等のセラミックス、あるいはガラス粉末またはガラス粉末とセラミックフィラーとの混合物を焼成して形成されたいわゆるガラスセラミックス等が挙げられる。中でも、窒化アルミニウム，炭化珪素，窒化硼素または酸化アルミニウムから成るときには、ガンダイオード素子１の作製に適した単結晶半導体基板４１と線膨張係数が近いので、共振器基板とガンダイオード素子１を形成した単結晶半導体基板４１とを貼り合せる際に熱的に接合しようとした場合に、さらにはガンダイオード素子１の動作時においても、内部応力の発生を抑制することができる。
【００３２】
誘電体基板２の上面に金属層から成る共振器を形成するための信号電極３および接地電極４は、例えばＣｒとＡｕとの二層構造、またはＴｉとＰｔとＡｕとの三層構造である。誘電体基板２と接触するＣｒもしくはＴｉは、各電極３・４と誘電体基板２との接着強度を高める働きがある。また、表面側のＡｕ層の働きは、数百ｍＡから数Ａの大電流を流す必要があり、電気的に低抵抗である必要があるために、少なくとも２μｍ以上の厚みが必要である。さらに、表面がＡｕであることは、ガンダイオード素子１をフリップチップ実装する際に、Ａｕ−Ａｕ接合となるので接合しやすいという利点もある。また、三層構造においてＰｔ層を入れる目的は、下地のＴｉが表面側のＡｕ層に拡散するのを防ぐことにある。なお、ガンダイオード素子１をフリップチップ実装する際に、熱的に良好に接合するためには、表面の金属はＡｕよりもＡｕＳｎ合金が好ましい。この理由は、Ｓｎを２０％以上含むとＡｕＳｎ合金の融点が２８０℃以下となるため、実装が容易となるからである。
【００３３】
とりわけ、図１に示す例のように信号電極３とその両側に配置された一対の接地電極４とから成る共振器としたときには、配線長を短くできるので回路設計が容易となるばかりか、フォトリソグラフィ工程によって配線を形成することができるので、配線形状の再現性がよいものとすることができる。
【００３４】
また、絶縁膜５は、本発明においては電気的な絶縁耐圧が高いという理由でＳｉＯ２を用いるとよい。また、誘電体基板２と線膨張係数が近いという理由でＳｉＮｘ，ＡｌＮ等を用いることも可能である。
【００３５】
そして、配線層６は、電気的に低抵抗であることと、絶縁膜５との密着強度が高いという理由から、Ｃｒ／Ａｕから成る金属層を用いるとよい。
【００３６】
高熱伝導性で高抵抗の高抵抗領域８を形成する高抵抗材料としては、誘電体基板２に例えばホウ珪酸ガラス，ホウケイ酸亜鉛ガラス，ホウケイ酸鉛ガラス等を成分とするガラスセラミックスのように低熱伝導性の材料を用いた場合は、この高抵抗領域８にフィラー（セラミックス）成分として、熱伝導性の高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ：熱伝導率が約１７０Ｗ／ｍ・Ｋ）等を含有させればよく、これによって、高抵抗としつつ高熱伝導化を図ることができる。また、誘電体基板２に熱伝導性の高い窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３：熱伝導率が約２１Ｗ／ｍ・Ｋ）を用いる場合は、より熱伝導性が高く、かつ高抵抗の炭化珪素（焼結体のＳｉＣ：熱伝導率が約２５０Ｗ／ｍ・Ｋ）を、高抵抗領域８に含有させるフィラー成分として用いるとよい。
【００３７】
つまり、この高熱伝導性で高抵抗のサーマルビアとして機能する高抵抗領域８は、一般に５０００Ω・ｃｍ以上の抵抗率の高抵抗性および誘電体基板２の熱伝導率以上の熱伝導率を有する高熱伝導性を有していれば、その他の特性は特に問わないため、上記のような高熱伝導性のフィラー成分をこれらの特性を損なわない限りで適宜添加すればよい。なお、この高抵抗領域８は、製造上、誘電体基板２との同時焼成により形成することが望ましい。
【００３８】
誘電体基板２の下面には、必要に応じて高抵抗領域８の下端に接続されるように放熱体９が設けられる。この放熱体９の材料としては、金（熱伝導率が約３１３Ｗ／ｍ・Ｋ），アルミニウム（熱伝導率が約２４０Ｗ／ｍ・Ｋ），銅（熱伝導率が約３９５Ｗ／ｍ・Ｋ）等が挙げられ、これらは誘電体基板２の下面に、蒸着やメッキ法等によって、所望の形状，大きさ，厚みに取着される。
【００３９】
誘電体基板２の製造方法は、例えばセラミックスで形成する場合であれば、誘電体基板２を形成する無機組成物を有機バインダおよび溶剤とともに混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて、ドクターブレード法や圧延法等によってシート状に成形して、グリーンシートを作製する。
【００４０】
そして、このグリーンシートに対して、貫通導体用および高抵抗領域８用の孔をマイクロドリルによる孔開け加工やレーザ光の照射等によって開孔し、この孔内に貫通導体および高抵抗領域８を形成するためのそれぞれのペーストを充填し、その後、このグリーンシートの表面に配線回路層のパターンを印刷塗布する。このようにして得られたグリーンシートを還元雰囲気中もしくは中性雰囲気中で、適切な温度で焼成することによって、高抵抗領域８を備えた誘電体基板２が得られる。
【００４１】
その後、この誘電体基板２の表面の配線回路層にＮｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ａｕから選ばれる少なくとも１種のメッキ層を電解メッキ法あるいは無電解メッキ法によって厚みが３〜５μｍとなるように形成し、必要に応じてフォトリソグラフィー技術を用いることによって、信号電極３や接地電極４，バイアス端子７，線路１０を含む配線回路を作製する。
【００４２】
なお、図１に示す例において、ガンダイオード素子１とこれが搭載されている共振器の信号電極３とは、熱的に接合することが可能である。すなわち信号電極３の少なくとも表面が低融点金属である場合あるいは低融点金属接合材が配置されている場合は、ガンダイオード素子１と信号電極３の表面とを接触させた状態で、低融点金属が溶融する温度まで昇温することで両者を接合する。また、低抵抗な接合をするためには、予めガンダイオード素子１の表面に、電気的に低抵抗な電極を形成しておくことが好ましい。
【００４３】
また、上記のような熱的な方法に限らず、ガンダイオード素子１と信号電極３の表面とを接触させた状態で、外部から超音波により接触部の金属にエネルギーを与えて、分子再配置を起こさせることによって接続することも可能である。さらに、単結晶半導体基板４１および誘電体基板２のいずれかの基板が透明である場合には、光エネルギーを照射することによる接合が可能である。また、これらの接合方法のひとつを単独に用いるのではなく、複数を併用することも可能である。
【００４４】
共振器の信号電極３の上に搭載されるガンダイオード素子１の個数は要求される発振出力によって適宜選択して設定すればよいが、図１に示す例のように複数のガンダイオード素子１を共振器上に搭載することにより、全てのガンダイオード素子１が同調し高出力な発振出力が得られるものとなる。
【００４５】
さらに、共振器の信号電極３または接地電極４の上にガンダイオード素子１をＡｕＳｎ，Ｉｎといった、融点が１５０℃から３５０℃程度の低融点金属接合材を介して接合することによって、作製時には低いエネルギーでガンダイオード素子１と共振器の信号電極３とを接合することができ、ガンダイオード素子１の動作時における密着性と電気的導通とを良好に保つことが可能である。
【００４６】
【実施例】
次に、本発明のミリ波発振器の実施例について、その製造工程の例に沿って順に説明する。
【００４７】
まず、ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＭｇＯの組成を主成分とする結晶性ガラス粉末と、セラミックフィラーとしてシリカおよび珪酸ストロンチウムとからなるガラスセラミック原料粉末に対して、有機バインダとしてメタクリル酸系樹脂を、さらに可塑剤および溶媒としてトルエンを混合し、スラリーを調製した。得られたスラリーをドクターブレード法により厚さが３００μｍのグリーンシートに成形した。
【００４８】
そして、このグリーンシートに、高抵抗領域８用の孔としてレーザ加工により直径が３００μｍの孔を形成した。そして、この孔に高熱伝導性の高抵抗領域８形成用として、前記ガラスに対して高熱伝導特性を持ったＡｌＮを加えたガラスセラミック組成物を調製し充填した。
【００４９】
その後、このグリーンシートを水蒸気を含んだ３００〜７００℃の窒素雰囲気中で熱処理し、グリーンシート中の有機成分を分解除去した後、窒素雰囲気中にて９００〜１１００℃の温度で焼成した。
【００５０】
そして、表面に露出している配線については、Ｎｉ（厚みが１μｍ）およびＡｕ（厚みが３μｍ）の無電解メッキを施した。これにより、図１に示したような、内部に高抵抗領域８が形成され、表面に信号電極３，接地電極４，バイアス端子７，線路１０が形成された誘電体基板２を得た。
【００５１】
一方、図４に断面図で示すように、単結晶半導体基板４１としての単結晶ＧａＡｓ基板上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて選択除去層４２としてのＡｌＡｓ層，第１のｎ＋型層１ａとしてのｎ＋型ＧａＡｓ層，ｎ型層１ｂとしてのｎ−型ＧａＡｓ活性層および第２のｎ＋型層１ｃとしてのｎ＋型ＧａＡｓ層の薄膜半導体を順次結晶成長させて積層した。この層構成における各層の厚みは、例えばＡｌＡｓ層４２は１００ｎｍ，ｎ＋型ＧａＡｓ層１ａは２００ｎｍ，ｎ−型ＧａＡｓ活性層１ｂは１．６μｍ，ｎ＋型ＧａＡｓ層１ｃは０．６μｍとした。また、各薄膜半導体におけるキャリア濃度は、ＡｌＡｓ層４２では１×１０１４／ｃｍ３以下，ｎ＋型ＧａＡｓ層１ａでは２×１０１８／ｃｍ３以下，ｎ−型ＧａＡｓ活性層１ｂでは１×１０１６／ｃｍ３〜３×１０１６／ｃｍ３の範囲で直線的に変化させ、ｎ＋型ＧａＡｓ層１ｃでは２×１０１８／ｃｍ３以下とした。
【００５２】
なお、このような薄膜半導体を積層して形成した、ガンダイオード素子１の薄膜単結晶構造を形成するために、薄膜半導体の各層を成長させた後に、ダイヤモンドペンを用いて、その結晶のへき開方向に合わせて全面に格子状に１ｍｍ間隔で薄膜半導体上に幅が１０μｍ以下で深さが２μｍ以下のスクライブライン（分割溝）を形成した。
【００５３】
一方、図５に断面図で示すように、前述のようにして内部に高抵抗領域８が形成され、共振器の信号電極３および接地電極４が形成された誘電体基板２の信号電極３上に、ＡｕＳｎの金属層を蒸着し、リフトオフ法によって、低融点金属接合材１１を共振器の信号電極３上に作製した。このとき、ＡｕＳｎ層の厚みを３μｍとした。ここで、ＡｕＳｎ層から成る低融点金属接合材１１は、誘電体基板２の信号電極３にガンダイオード素子１を接合する際の半田材料となるものである。
【００５４】
次に、図６に断面図で示すように、単結晶ＧａＡｓ基板４１上に形成されたガンダイオード素子１の薄膜単結晶構造と、誘電体基板２上に形成されたミリ波共振器構造とを重ね合わせ、ミリ波共振器構造の信号電極３上に配置した低融点金属接合材１１のＡｕＳｎ層が溶融する温度、例えば２５０℃まで昇温し加熱して、薄膜単結晶構造とミリ波共振器構造とを接合した。
【００５５】
なお、この例では薄膜単結晶構造とミリ波共振器構造とを、低融点金属接合材１１としてのＡｕＳｎ層を介して熱処理によって接合したが、両者は超音波接合によって接合してもよく、超音波と熱処理とを併用して接合してもよい。超音波接合によってミリ波共振器構造に薄膜単結晶構造を貼り合わせる場合には、それぞれの基板にかかる応力はほとんど発生しないものとなるが、接合部の全面を均一な強度で接合して貼り合わせることが困難な傾向がある。一方、熱処理によって接合して貼り合わせる場合には、それぞれの基板に線熱膨張係数の差に起因して内部応力が発生することとなり、この内部応力によって貼り合わせた基板が反ることがある。
【００５６】
本例においては、２５０℃の熱処理によって貼り合わせた結果、２インチの大きさの誘電体基板２について約２００μｍの反りが生じた。ただし、この反りは、後述するように後の工程で緩和されて小さくなるので、ミリ波発振器としての特性に悪影響を及ぼすことはない。
【００５７】
次に、図７に断面図で示すように、単結晶ＧａＡｓ基板４１と、ガンダイオード素子１となる薄膜単結晶構造との間に位置しているＡｌＡｓ層４２をフッ酸溶液によってエッチングし、薄膜単結晶構造から単結晶ＧａＡｓ基板４１を分離した。エッチング後に残された薄膜単結晶構造（ガンダイオード素子１）の総厚みは、約２．２μｍであった。
【００５８】
このとき、前述の内部応力によって、予め形成しておいたスクライブラインからクラックが発生し、内部応力が緩和される。これにより、誘電体基板２の反りが２インチの大きさで１０μｍ程度にまで改善される。
【００５９】
なお、ガンダイオード素子１となる薄膜単結晶構造の総厚みは、５０μｍ程度まで大きくすることが可能である。しかし、総厚みが５０μｍを超えると、ｎ−型ＧａＡｓ活性層１ｂで発生した熱を共振器を介して誘電体基板２の高抵抗領域８へ良好に伝達あるいは放射することが十分に行なえなくなるため、ガンダイオード活性層であるｎ−型ＧａＡｓ活性層１ｂの温度が上昇してしまい、ミリ波出力強度の低下を引き起こしたり、ガンダイオードの発振周波数の安定性について信頼性を低下させたりするようになる傾向がある。
【００６０】
次に、薄膜単結晶構造のうちの必要な部分を残して、他の部分をエッチングで除去することによって、図８に断面図で示すように、共振器の信号電極３上に円柱状のガンダイオード素子１を複数個形成した。この例では、円柱状のガンダイオード素子１の直径は５０μｍとし、これを図１に示したように４個並べて形成した。
【００６１】
なお、円柱状のガンダイオード素子１の直径は、１００μｍ程度まで大きくすることが可能である。しかし、１００μｍを超えて大きくなると、ガンダイオード素子１の発熱量が大きくなり、特に円柱状の中心部で発生する熱の共振器を介しての誘電体基板２の高抵抗領域８への熱放射が十分でなくなるため、ガンダイオード活性層の温度が上昇してしまい、ミリ波出力強度の低下やガンダイオードの発振周波数の安定性について信頼性を著しく低下させてしまうこととなる。このため、より大きなミリ波出力が望まれる場合には、円柱状の直径を１００μｍを超えるような大きさにまで大きくすることなく、複数個の小径の円柱状のガンダイオード素子１を作製し、それらの出力を合計することによってより大きなミリ波出力を得るようにすればよい。
【００６２】
次に、図９に断面図で示すように、ガンダイオード素子１ならびに共振器の信号電極３および接地電極４を覆って絶縁膜５をポリイミド樹脂を塗布することによって形成し、その絶縁膜５のガンダイオード素子１の上面を覆う部位に開口を形成した。また、接地電極４の上面の部位も、電気的接続に必要な部位を露出させた。なお、この絶縁膜５としては、スパッタ法やＣＶＤ法等によるＳｉＮ膜やＳｉＯ２膜等を用いることも可能である。
【００６３】
そして、図１０に断面図で示すように、絶縁膜５の開口に露出したガンダイオード素子１の上面からそれぞれ対応する接地電極４の上面にかけて、ガンダイオード素子１に電気信号を印加するための配線層６を形成した。この配線材料には、ＡｕＧｅ層／Ｎｉ層／Ａｕ層から成る積層構造の導体層を用いた。このような構成の配線層６を用いることにより、ガンダイオード素子１の上面に位置しているｎ＋型ＧａＡｓ層１ｃおよび接地電極４との低抵抗な電気的接続を実現することができる。
【００６４】
なお、絶縁膜５の開口に露出したガンダイオード素子１の上面と接地電極４との電気的接続は、ガンダイオード素子１の直径が例えば４０μｍ以上であれば、ワイヤボンディングによって行なうことも可能である。
【００６５】
この場合は、フォトリソグラフィや蒸着等の薄膜プロセスが終了した後にワイヤボンディングを行なうこととなり、発振周波数の微調整をボンディングワイヤの長さや太さで行なうことが可能となる。
【００６６】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行なうことは何ら差し支えない。
【００６７】
例えば、誘電体基板２の材料は、以上の例ではガラスセラミックスとしたが、さらに熱伝導性の高い、窒化アルミニウムや酸化アルミニウムであってもよい。誘電体基板２の材料が窒化アルミニウムや酸化アルミニウムの場合は、さらに熱伝導率が高く、抵抗率の高い炭化珪素を高抵抗領域８を形成するためのフィラー成分として用いるとよい。
【００６８】
また、サーマルビア部となる高抵抗領域８と、誘電体基板２の下面に設けられる放熱体９とを炭化珪素の焼結体で作製した後に、これらを別途作製した、この高抵抗領域８を組み込み放熱体９を下面に配置する誘電体基板部に張り合わせて、内部に高抵抗領域８を有し下面に放熱体９が設けられた誘電体基板２とし、これを用いて共振器を作製してもよい。
【００６９】
また、ガンダイオード素子１の形状は、以上の例では円柱状としたが、いわゆるメサ形状であってもよく、さらに上方から見たときの形状が円形でなく、四角形状の形状であってもよい。ガンダイオード素子１がメサ形状の場合は、いわゆるウェットエッチングによって作製することが可能であり、高価な真空装置を必要とせず、生産コストを低く抑えることが可能となる。また、上方から見たときの形状が円形でなく、四角形状の形状の場合は、上方から見たときの面積に対する周囲の長さが長くなることにより、ガンダイオード素子１からの放熱性を向上させることができるものとなる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明のミリ波発振器によれば、共振器基板の上面の共振器上に搭載された薄膜半導体から成るガンダイオード素子の直下に、誘電体基板を垂直方向に貫通するように形成された、誘電体基板よりも熱伝導率が高く、かつ導電性ではない高抵抗領域がサーマルビアとして機能することから、ガンダイオード素子が駆動時に発生する熱は、この高抵抗領域を介して誘電体基板の下面へ良好に伝達させることができるので、ガンダイオード活性層であるｎ型層の温度上昇を良好に抑制することができてガンダイオード素子の温度上昇を効率よく十分に抑制することができ、発振特性において、ミリ波出力を安定させるとともに向上させることができる。さらに、サーマルビアとして機能する高抵抗領域には高抵抗性材料を用いており、導電性ではないので、従来のように共振器と同じ導体材料で形成するサーマルビアの場合と比べて素子の短絡といった問題はなく、また発振出力の損失が少ないので、ミリ波出力の安定化および高出力化を良好に行なうことが可能となる。
【００７１】
また、本発明のミリ波発振器によれば、複数のガンダイオード素子を共振器の高抵抗領域上に位置する部位上に搭載したときには、各ガンダイオード素子について高周波発振特性において信号のノイズを無視できる程度に軽減することができるとともに、発振特性においてそれぞれのガンダイオード素子が自然に同調するので、ミリ波発振器としてのミリ波出力を効率よく向上させることができる。また、搭載面積が大きな単独のガンダイオード素子を用いる場合と比較すると、複数のガンダイオード素子を物理的に離して共振器上に配置したものの方が温度上昇をより効果的に抑制することができるので、ミリ波出力を安定させることができる。
【００７２】
また、本発明のミリ波発振器によれば、共振器の高抵抗領域上に位置する部位上にガンダイオード素子が低融点金属接合材を介して接合されているときには、低融点金属接合材を介してガンダイオード素子の全面が電気的に良好に、また共振器基板への放熱性も良好な状態で共振器に接合されるので、放熱性を向上させることができ、安定したミリ波出力を得ることができる。
【００７３】
以上のように、本発明のミリ波発振器によれば、ガンダイオード層の直下の誘電体基板に誘電体基板より熱伝導性の優れたサーマルビアとして機能する高抵抗領域を設けたことによって、ガンダイオードのガンダイオード活性層で発生した熱を容易に共振器基板の下面へ伝熱して、放熱体等を介して放熱することが可能となるので、これにより、ガンダイオード素子の温度上昇を抑制することができ、ミリ波出力の強度の安定化が可能となった。また同時に、ガンダイオード素子を長期間使用した際にガンダイオード素子の内部における結晶の欠陥発生を抑制することができるので、長期間使用に対する信頼性を向上させることもできた。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明のミリ波発振器の実施の形態の一例を示す上面図およびそのＡ−Ａ’線断面図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ従来のミリ波発振器の例を示す一部を透視した平面図およびそのＢ−Ｂ’線断面図である。
【図３】ガンダイオード活性層の内部における、温度に対する電子の移動度の変化を示す線図である。
【図４】本発明のミリ波発振器における薄膜ガンダイオード素子について、薄膜半導体による層構成の例を示す断面図である。
【図５】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図６】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図７】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図８】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図９】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図１０】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１・・・ガンダイオード素子
２・・・誘電体基板
３・・・信号電極
４・・・接地電極
５・・・絶縁膜
６・・・配線層
７・・・バイアス端子
８・・・高抵抗領域
９・・・放熱体
１０・・・ＲＦ出力の線路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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